隋玉博
哈尔滨汇通电力工程有限公司 黑龙江 哈尔滨 150090
摘要：国内电力系统随着大大容量机组的并网运行、远距离输电线路的增加以及电压等级相应提高，一旦电力负荷处于低谷或枯水期水电厂机组停运时，在轻负荷的高压长线路和部分网络中，可能会出现因充电电流引起的运行电压升高甚至电压超上限的情况，这不但破坏了电能质量、影响电网的经济运行，也威胁电气设备特别是大型输变电设备的安全运行。由此适时的减小发电机的励磁电流，通过发电机自身稳定的进相运行能力，承担吸收电网冗余的无功功率，经济有效的改善电网电,具有极为重要的现实意义。
关键词：进相运行 ； 有功功率 ；无功功率 ；自动励磁调节装置 ；静稳定性
通过发电机的进相运行工况吸收电网中冗余的无功功率，早在上世纪中期的国外许多国家就开始研究并实施调整，例如美国在1954年对发电机的进相运行做了实验研究，日本在1961年首次进行了发电机组进相运行的实验，进相运行的发电机为224MW，并在这之后又分别对五井1号机、新江别2号机和新名古屋4号机等进行进相运行研究，试验成果显著。随着发电机容量的越来越大和高压电网的发展与运行要求，越来越多的国家对发电机组的进相运行开始做实验并且研究过程中取得了很大的成效。我国于上世纪80年代针对进相运行相关内容进行研究。
国内外对发电机进相运行的研究主要集中在静稳定极限、发电机定子端部发热、发电机机端电压下降以及发电机进相运行在线监测系统的研制，静稳定性方面的研究主要是关于是否带自动励磁调节装置，计算其静稳定极限功率角、有功无功关系表达式，有的与静稳定储备系数结合得到发电机的进相静稳定极限。随着发电机组设计制造的技术越发成熟，通过出厂前试验确定进相运行限额，已成为发电机重要质量参数之一。
本文通过进相原理引述，结合迪拜哈斯彦项目的GE660MW氢冷发电机组无功能力测试为例，对该发电机试验进行分析总结。
1.发电机进相运行理论简述
发电机运行时总是发出有功功率，若无功功率按有功功率传输方向为正方向，无功功率可分为容性无功功率和感性无功功率。当发电机向电网提供有功功率和容性无功功率时，发电机为迟相运行状态。当发电机为电网提供有功功率和吸收感性无功功率时，发电机为进相运行。以隐极发电机为例的运行相量图如下图1所示。
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由上图可知发电机迟相运行时，定子电流滞后于发电机机端电压，此时励磁电流充足，发电机处在过励磁运行，发电机发出的无功功率为容性。迟相运行时，慢慢减小励磁电流发电机就会进入进相运行，此时定子电流和机端电压之间的功率因数角是超前的，发电机处在低励磁运行，发电机发出感性无功功率。发电机在进相运行时相关的电气参量仍然是对称的，发电机仍然按同步转速旋转。因此，进相运行属于发电机正常运行的一种工况，在允许的进相条件内发电机可以较长时间的工作在此状态。由迟相运行到进相运行的过程，是无功功率从容性到感性的转变过程，利用这个变化来吸收电网中多余的无功功率，是解决电压升高的有效手段。
发电机进相运行来吸收多余的无功功率，随着吸收的无功功率增多功角δ会变大，因此吸收无功功率的多少与静稳定极限功率角有关。进相深度的增加使得发电机端部漏磁增加，导致定子端部发热升温，并且进相深度的加深会使得发电机机端电压下降，所以发电机自身结构影响进相运行的原因主要有以下几个方面：静稳定极限的影响、发电机定子端部铁心发热、发电机机端电压下降。发电机迟相和进相两种状态的转变，在无功功率上体现的是发出和吸收的转变，两种性质完全相反，在解决无功过剩的问题上就是利用这一特点来实现的。同步发电机是电网中特殊的存在，即发出有功又发出容性或感性无功并且可以调整发电机的励磁电压来灵活地的改变发电机迟相进相这两种运行状态，按照需求对无功功率的输出和吸收进行调节，保持电力系统的稳定。
2.现场发电机无功能力试验
发电机无功能力试验主要就是对发电机进相运行稳定性的验证。制造厂家利用输出的电磁功率和发电机功角的关系得出静稳定判据，并且根据静稳定判据计算静稳定极限角δ，自动励磁调节器的存在可以基本保持E的恒定，推导出发电机进相运行时输出的电磁功率P与E、δ的关系式，再由运行时P-Q的关系以及自动励磁调节系统的投用，最终绘制出机组稳态的P-Q极限边界。
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图2 GE660MW氢冷发电机P-Q曲线
根据机组边界曲线，此次试验共选择5个临界点来考核几种工况下的机组出力能力，具体数据见下表：
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此次试验全过程受系统工况和调度指令影响共计3个小时，其中每一阶段负荷至少稳态运行10分钟，才视为试验合格，总结试验主要注意事项如下：
A.汽轮发电机的进相运行深度以自身漏磁导致的绕组温度升高、厂用电压下降以及主变额定电流增大为主要限制因素，因此，在调整负荷过程中，需对主变分接开关进行调整，已确保机组安全运行及厂用电稳定。
B.发电机进相运行时AVR必须投入，以确保在低励磁时工作稳定，通过查看机组运行曲线可以确定，由于发电机端部设计的成熟稳定，端部温度已不成为发电机进相运行的主要限制因素。
C.在进行试验前，有关发电机保护装置尤其低励和失磁保护重新核定，对于极限状态下的特殊工况，避免因超出整定而造成机组跳机。
D.因各个负荷状态直接影响汽轮机组出力，所以还需关注机组温度和各轴段振动情况，如有争议必须已厂家解释标准为依据。
3.总 结：
试验内容描述过于简单，但完整的参数分析涉及到锅炉燃烧、给水、汽机转速、主汽门调节等各专业协调参数，全部过程需要极为严谨的运行操作执行，才能得出最终的机组能力验证结果。优质的无功能力，表示机组具备由于系统负荷低谷时无功过剩，避免供电电压过高．影响电能质量的目的，同时，降低系统电压，消除由于高于正常电压的增高部分所增加的系统损耗，从而确保设备的安全稳定运行。
4.参考资料
《汽轮发电机进相运行的静态稳定性分析》华东电力，2001(8)；
《发电机进相运行在350MW机组的实践》发电设备，2002(3)；
《Reactive power capability test 》迪拜项目试验方案TP613，2020（11）；